Rhéologie des suspensions granulaires browniennes

Rheology of dense suspensions in the thermal crossover

• Auteur / Autrice : Alice Billon
• Direction : Olivier Pouliquen, Yoël Forterre, Olivier Dauchot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut universitaire des systèmes thermiques industriels (IUSTI) (Marseille) - Gulliver (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Élisabeth Lemaire
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Antoine Bérut, Véronique Trappe, Romain Mari
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ludovic Berthier, Éric Clément

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrostatique

Mouvement brownien

Milieux granulaires

Rhéologie

Mots clés libres

Milieux granulaires

Suspensions colloïdales

Cross-Over thermique

Rhéologie

Transition vitreuse

Granular media

Colloidal suspensions

Thermal crossover

Rheology

Glass transition

Résumé

Les suspensions de sphères dures se rencontrent en géophysique, dans l’industrie et même en biologie. À première vue ce sont des systèmes assez simples, mais le très grand nombre de particules en jeu ainsi que la complexité des contacts et des interactions électrostatiques et hydrodynamiques entre particules qui jouent un rôle non négligeable dès que la suspension est dense en font un objet d’étude compliqué, même pour le cas de particules sphériques dans un fluide newtonien. Jusqu’à présent, deux régimes distincts ont été largement étudiés : les sphères dures athermiques frictionnelles, pour lesquelles les forces électrostatiques et de Van der Waals sont négligeables, et les suspensions colloïdales, pour lesquelles l’agitation thermique domine. Ces deux régimes sont des cas limites contrôlés soit par la pression de confinement, soit par l’agitation thermique. Les écoulements où les deux sont du même ordre manquent encore d’une description complète, malgré leur importance cruciale dans l’étude des écoulements réels. En s’inspirant des expériences de plan incliné macroscopiques, nous avons conçu un plan incliné microscopique sous observation confocale, sur lequel nous faisons couler des suspensions micrométriques. Les profils de vitesse obtenus sont comparés à un modèle théorique qui éclaire la transition entre les régimes athermique et colloïdal. Pour compléter notre étude, nous avons aussi mis au point une expérience d’écoulement sur tas microscopique, avec des réseaux de tambours micrométriques immergés, remplis par nos suspensions micrométriques, pour mesurer leur angle de repos

Hard spheres suspensions are present in a wide range of geophysical, industrial and even biological domains. They might seem very simple systems at first sight, but the number of particles and the complexity of interparticulate contacts, electrostatic and hydrodynamic forces as soon as the suspension is dense makes it a very tough object to study, even for spherical particles in a Newtonian fluid. Until now, two distinct cases have been widely studied: frictional athermal spheres, for which electrostatic and Van derWaals forces are negligible, and colloidal suspensions, where thermal agitation dominates. These two regimes are limit cases controlled either bythe confining pressure or by thermal motion. Flows for which both stresses are of the same order of magnitude are still lacking a complete description, despite their crucial importance in understanding realistic flows. Inspired by macroscopic inclined plane experiments, we designed a microscopic inclined plane under confocal observation, using micron-size suspensions. We compare the experimental velocity profiles with a theoretical model which enlights the transition between granular and colloidal regimes. To complete our investigation, we also set up a microscopic heap flow experiment with immersed micro drums arrays filled with our micron-size suspension to track the angle of repose